智能型無線工業(yè)傳感器之設計指南

本文專注探討SmartMesh與Bluetooth Low Energy（BLE）網(wǎng)狀網(wǎng)絡是工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測傳感器最適合的無線標準，其中介紹BLE低功耗藍牙、SmartMesh及Thread/ZigBee等無線標準，以及其在嚴苛工業(yè)射頻環(huán)境中的適用性，并列舉多項比較標準，包括功耗、可靠度、安全性及總體持有成本。
SmartMesh時間同步機制造就出低功耗性能，而SmartMesh與BLE頻道跳頻機制則帶來更高的可靠度。一項針對SmartMesh的案例研究，總結出可靠度高達99.999996%。Analog Devices的BLE與SmartMesh無線式狀態(tài)監(jiān)測傳感器包含一款配備邊緣人工智能（AI）功能的新型無線傳感器，能夠為受限制的邊緣傳感器節(jié)點挹注更長的電池續(xù)航力。


智能傳感器市場成長驅動力
由馬達驅動系統(tǒng)的智能型傳感器市場規(guī)模，從2022到2024年的成長幅度預估將超過2倍（成長至9.06億美元）。在智能傳感器方面，主要的成長驅動力將來自無線與便攜設備。運用無線環(huán)境傳感器（溫度、振動）來監(jiān)視工業(yè)機器，其明確目標是偵測出受監(jiān)視設備在何時會偏離健康運作的狀態(tài)。
在工業(yè)無線傳感器應用領域，低功耗、可靠度、以及安全性一向都是最關鍵的要求。其他要求還包括低總體持有成本（最少的網(wǎng)關、維護）、短距離通訊，以及能支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡的通訊協(xié)議，其能適應充斥大量金屬障礙物的工廠環(huán)境（網(wǎng)狀網(wǎng)絡有助于紓解潛在訊號路徑遮蔽與反射的問題）。


工業(yè)應用與無線標準的要求
圖一概述各種無線標準，表一列出多項無線標準并對照關鍵的產(chǎn)業(yè)要求。從圖表可明顯看出BLE與SmartMesh（6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e進行傳輸）能為工業(yè)應用提供兼顧低功耗、可靠度、安全性的優(yōu)化組合。Thread與ZigBee提供低功耗與安全的網(wǎng)狀網(wǎng)絡實作方案，但在可靠度的評分較低。


 
圖一 : 無線標準調查

表一：無線標準對應工業(yè)應用的要求

表二進一步詳列ZigBee/Thread、SmartMesh、以及BLE網(wǎng)狀網(wǎng)絡標準。SmartMesh包含一個時間同步頻道跳頻（TSCH）協(xié)議，網(wǎng)絡中所有節(jié)點都進行同步化，并依一個時程表來協(xié)調通訊作業(yè)。時間同步造就出低功耗，而頻道跳頻則造就出高可靠度。
此外，BLE標準也包含頻道跳頻，但其相較于SmartMesh則存在一些限制，包括像不支持纜線供電的路由節(jié)點（增加系統(tǒng)成本與耗電）與TSCH。如先前所述，ZigBee/Thread在可靠度的表現(xiàn)較差，且不具備許多BLE所擁有的優(yōu)點。


表二：工業(yè)應用的關鍵無線標準與效能數(shù)據(jù)

無線狀態(tài)監(jiān)測傳感器
以下說明Analog Devices的Voyager 3無線振動監(jiān)視平臺及新一代無線狀態(tài)監(jiān)測傳感器。Voyager 3采用SmartMesh模塊（LTP5901-IPC），當中一款支持AI的振動傳感器（研發(fā)中）采用BLE微控制器（MAX32666）。兩款傳感器都有溫度與電池健康狀態(tài)（SOH）傳感器。Voyager 3與AI版本傳感器采用ADI MEMS微機電加速計（ADXL356、ADXL359）用來為工業(yè)設備量測振動的振幅與頻率。組件會運用FFT高速傅立葉變換頻譜來辨識振動的振幅與頻率，該頻譜可以反映出各種故障的征兆，包括像馬達失衡、錯位、以及損壞的軸承。

圖二顯示Voyager 3與支持AI振動傳感器的典型運作。其工作周期和許多任務業(yè)傳感器一樣都是1%；傳感器在大多數(shù)時間都處于低功耗模式。傳感器會定期被喚醒，并進行大量數(shù)據(jù)收集（或是在高沖擊振幅的撞擊事件），或向使用者傳送狀態(tài)的更新通報。使用者通常會收到反映受監(jiān)視機器狀態(tài)的狀態(tài)標志，通報該機器健康狀態(tài)良好，并讓使用者有機會收集更多數(shù)據(jù)。


 
圖二 : 工業(yè)無線傳感器的典型運作

安全
SmartMesh IP網(wǎng)絡具備多層次的防護，這些層次可分類為保密性、完整性、以及真實性。圖三整理了SmartMesh的安全防護。保密性方面，采用端對端的AES-128-bit加密，就算網(wǎng)絡中有多個網(wǎng)狀網(wǎng)絡節(jié)點也能執(zhí)行。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會以消息驗證代碼（訊息完整性檢查或MIC），以確保其未被竄改。此種作法能防御各種中間人（MITM）攻擊，如圖三所示。此外，也能夠建置多重裝置驗證級別，以防止未經(jīng)授權的傳感器被加入到系統(tǒng)。


 
圖三 : BLE與SmartMesh網(wǎng)絡的安全建置

采用4.0與4.1版BLE標準運作的裝置面臨安全風險，然而4.2以后版本納入了增強安全（如圖三所示）。ADI的MAX32666兼容于5.0版BLE標準。這個版本包含P-256橢圓曲線Diffie-Hellman密鑰交換機制用于裝置之間的配對。在此協(xié)議中，兩個裝置的公開密鑰用來在兩個裝置之間建立稱為長期密鑰（LTK）的分享機密。這個分享機密用來驗證與產(chǎn)生密鑰，這些密鑰用來為所有通訊內(nèi)容進行加密，以及防御各種MITM中間人攻擊。

低功耗
上述章節(jié)中的傳感器工作周期為1%，Voyager 3封包的最大數(shù)據(jù)酬載量為90 bytes，而AI版本的最大酬載量則為510 bytes。圖四（取自Shahzad與 Oelmann3）顯示在500至1000 bytes的數(shù)據(jù)傳輸量方面，BLE消耗的能量低于ZigBee與Wi-Fi。因此BLE適合運行AI的使用情境。SmartMesh能夠提供極低的功耗，特別是90 bytes以下的酬載（正如Voyager 3傳感器所用的酬載規(guī)格）。SmartMesh 功耗估算工具的準確性經(jīng)實測證明可達87%至99%，實際準確度取決于傳感器屬于路由節(jié)點還是葉節(jié)點。


 
圖四 : 已傳輸數(shù)據(jù)（無線電收發(fā)器物理層組件）與電源消耗（取材自Shahzad 與Oelmann）
除了無線電傳輸能源消耗外，我們還須考慮整體系統(tǒng)的耗電預算以及總體持有成本。如表二所述，BLE與ZigBee使用同一個網(wǎng)關運作。然而兩種技術都需要透過纜線為路由節(jié)點供電，這也會增加耗電預算以及總體持有成本。對比之下，SmartMesh路由節(jié)點平均僅消耗50 μA的電流，整個網(wǎng)絡僅用一個網(wǎng)關就能工作。SmartMesh顯然是更具能源效率的建置方案。

可靠度與穩(wěn)健性
如先前所述，SmartMesh采用TSCH，因此具有以下特性：網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都同步化、根據(jù)一個通訊時程表調度各節(jié)點的通訊、時間同步化促成低功耗、頻道跳頻造就高可靠度，以及通訊作業(yè)進行妥善排程，帶來高確定性。
整個網(wǎng)絡的同步化精準度誤差壓低到15 μs以下。極高水平的同步化造就出極低的功耗。消耗電流平均為50μA，且超過99%的時間僅為1.4 μA。
表三所列為關鍵應用時的挑戰(zhàn)，以及SmartMesh與BLE網(wǎng)狀網(wǎng)絡如何因應。SmartMesh在大量節(jié)點構成的高密度網(wǎng)絡中表現(xiàn)良好，而BLE與SmartMesh兩者均在在動態(tài)工業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)卓越。

表三：工業(yè)應用中的無線網(wǎng)絡及BLE/SmartMesh效能面臨的關鍵挑戰(zhàn)

SmartMesh的可靠度已在ADI的晶圓廠通過檢測。此廠區(qū)的嚴苛射頻環(huán)境中布滿金屬物與混凝土，其中有32個無線傳感器節(jié)點以網(wǎng)狀網(wǎng)絡的形態(tài)分布，最遠的傳感器節(jié)點到網(wǎng)關之間隔著4次轉傳（hops）。每個傳感器節(jié)點每隔30秒就傳送4個數(shù)據(jù)封包。在83天的期間，各傳感器共傳送26,137,382個封包，共接收26,137,381個封包，達到99.999996%的可靠度。


運行于邊緣的人工智能
新一代的無線傳感器包含MAX78000 此種內(nèi)嵌AI硬件加速器的微控制器，此類AI硬件加速器不僅能大幅減少數(shù)據(jù)移動，還能夠運用平行處理機制來優(yōu)化能源消耗以及數(shù)據(jù)吞吐量。
現(xiàn)今市面上的無線工業(yè)傳感器通常以極低的工作周期運行，用戶在設定傳感器的休眠時間長度后，傳感器就會按時被喚醒并量測溫度與振動，并將數(shù)據(jù)透過無線網(wǎng)絡傳回用戶的數(shù)據(jù)聚合設備。市售傳感器通常標示其擁有5年電池壽命，指的是每24小時擷取1筆數(shù)據(jù)，或是每4小時擷取1筆數(shù)據(jù)下所能維持的續(xù)航力。
下一代的傳感器能夠在類似模式下工作，同時利用邊緣AI異常偵測機制來限制使用無線電網(wǎng)絡的次數(shù)。當傳感器被喚醒并開始量測數(shù)據(jù)之后，只有在偵測到異常的振動時，才會將數(shù)據(jù)傳回給用戶。透過這種方式，電池續(xù)航力可提升至少20%。
AI模型用來訓練傳感器收到的機器健康數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會透過無線網(wǎng)絡傳輸給用戶，以便進行AI模型的開發(fā)。運用MAX78000工具將AI模型合成為C語言程序代碼，之后再傳回給無線傳感器，并將模型加載內(nèi)存。當程序代碼部署完成后，在預先定義間隔的時間點或是出現(xiàn)高G力振動事件時，無線傳感器就會被喚醒。
MAX78000會根據(jù)經(jīng)過高速傅立葉變換的數(shù)據(jù)進行推論。如果沒有偵測到異常，傳感器就會回到休眠狀態(tài)。若是偵測到異常，使用者就會收到通知。此時用戶即可要求FFT算法或原始時域數(shù)據(jù)以便測量出異常，并依此進行故障分類。


總結
本文闡述BLE、SmartMesh（6LoWPAN封包透過IEEE 802.15.4e網(wǎng)絡進行傳輸）、以及Thread/ZigBee（IEEE 802.15.4）等無線標準，以及其在嚴苛工業(yè)射頻環(huán)境的適用性。
SmartMesh擁有優(yōu)于BLE與Thread/ZigBee的可靠性與低功耗運作能力。在要求500 bytes至1000 bytes數(shù)據(jù)傳輸能力的網(wǎng)絡中，相較于ZigBee與Thread，BLE能以更低的功耗可靠地運作。內(nèi)嵌AI硬件加速器的微控制器開創(chuàng)一條邁向更佳決策的坦途，并為無線傳感器節(jié)點挹注更長的電池續(xù)航力。
（本文作者Richard Anslow為ADI系統(tǒng)工程資深經(jīng)理）